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《西南医科大学》 2020年
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硝基咪唑类抗生素在TiO_2晶面的吸附特性以及降解机理的DFT研究

谭若兰  
【摘要】:目的:硝基咪唑类抗生素,主要用于厌氧菌引起的病菌感染。此外也是一种良好的生长促进剂,一定浓度的硝基咪唑类药物有增重和提高饲料转化率的作用,近年来也被广泛地应用于家禽和水产养殖业,以促进其生长,但随着其大量使用,导致在动物体内累积。同时该类药物水溶性高,生物降解率低,容易在水体中聚集,最终通过食物链和水体在人体累积。而药理实验表明该类药物具有神经毒性、遗传毒性、肾脏毒性等危害。因此,对于水体中硝基咪唑类抗生素残留降解具有重要的意义。在传统方法(吸附法、生物法)中,由于水溶性高、生物降解率低的特性,不能达到良好降解效果。而许多研究表明基于高级氧化技术产生的·OH、O_2~-以及中间体自由基与污染物作用是有效的降解方法,但具体的降解产物以及反应机理仍不清晰。本研究基于高级氧化技术的TiO_2光催化法,以奥硝唑,塞克硝唑,罗硝唑为硝基咪唑类的代表药物进行光催化微观机理的探究。方法:硝基咪唑在TiO_2晶面上吸附特性和降解机理都是基于密度泛函理论(Density functional theory DFT)进行的。先采用Gaussian 09的B3LYP泛函对3种硝基咪唑类药物进行结构优化,然后再借助于Accelrys公司下的Materials Studio 7.0中的DMol~3板块进一步优化以确定最稳定的分子构型。药物分子在锐钛矿TiO_2(101)和(001)晶面的吸附构型的优化,最佳吸附位点、吸附能、态密度、电子结构图的计算都是基于DMol~3板块进行的。最后以最稳定吸附构型的羟基共吸附物作为反应的起始物,采用LST/QST方法进行过渡态的搜索,通过频率分析确定反应路径的正确性,以能垒高低确定反应的难易程度,最后得到光催化降解反应的机理。结果:通过DFT计算得到了硝基咪唑类药物在TiO_2晶面上的吸附特性和降解机理。吸附部分:通过吸附能得到了最稳定的吸附构型,以及最佳吸附位点。当N_3原子吸附在Ti_(5c)原子上时,吸附构型最稳定。吸附使得咪唑环上C_2-N_3与C_2-N_1键长显著被拉长,C_2-N_3与C_2-N_1键稳定性被削弱,有利于光催化反应的进行。TiO_2(001)晶面对硝基咪唑类抗生素的吸附更稳定,而TiO_2(101)晶面对可见光的利用率更高。降解机理部分:TiO_2(101)和(001)光催化降解奥硝唑和塞克硝唑沿着两条反应路径都能进行,且在TiO_2(101)晶面沿着反应路径一为最优路径,而对于罗硝唑的光催化降解,反应只能在TiO_2(101)晶面沿着路径一进行。结论:最稳定的构型为N_3原子与Ti_(5c)原子间存在吸附作用的构型,吸附后C_2-N_3和C_2-N_1键长显著被拉长,键稳定性被削弱有利于开环降解反应的进行。同时对其电子特性进行分析,结果表明TiO_2晶面利用可见光驱动光催化反应是可行的。在开环降解反应机理中,发现C-N就是开环位点,与已有的实验报道咪唑类药物的降解主要是咪唑环上的C-N断裂相吻合。同时发现TiO_2(101)面光催化3种硝基咪唑药物沿着反应路径一都能进行且为最佳反应路径。对比3种硝基咪唑光催化反应能垒,发现N_1支链对反应影响较小,而C_2支链对反应影响较大且支链越长对·OH自由基的空间位阻越大,H_1质子转移难度越大,反应就更不易进行。
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